(57)【要約】  正極板１および負極板２をセパレータ３を介して捲回または積層してなる電極群４を電池ケース５内に収容し、この電池ケース５の開口部を封口板１０で封口した密閉型電池において、電極群４のいずれか一方の極板から導出されたリード１１が封口板１０にレーザ溶接されており、リード１１と封口板１０との溶接部１４は、少なくともリード１１の端部を跨ってライン状に形成されている。
2011016200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板および負極板をセパレータを介して捲回または積層してなる電極群を電池ケース内に収容し、この電池ケースの開口部を封口板で封口した密閉型電池であって、
前記電極群のいずれか一方の極板から導出されたリードが前記封口板にレーザ溶接されており、
前記リードと前記封口板との溶接部は、少なくとも前記リードの端部を跨ってライン状に形成されている、密閉型電池。
【請求項２】
前記リードは、該リードの厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光を連続的に走査することによって、前記封口板にレーザ溶接されている、請求項１に記載の密閉型電池。
【請求項３】
前記溶接部の溶接幅に対する溶接長さの比が４以上である、請求項１に記載の密閉型電池。
【請求項４】
前記リードおよび封口板をは、アルミニウムを主成分とする材料で構成されている、請求項１に記載の密閉型電池。
【請求項５】
正極板および負極板をセパレータを介して捲回または積層して電極群を形成する工程と、
前記電極群のいずれか一方の極板に、リードの一端を接続する工程と、
前記電極群を電池ケース内に収容する工程と、
前記リードの他端を封口板に当接させて、前記リードの厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光を連続的に走査しながら前記リード側から照射することによって、前記リードの他端を前記封口板にレーザ溶接する工程と、
電池ケースの開口部を前記封口板で封口する工程と
を含み、
前記レーザ光は、少なくとも前記封口板の表面から、前記リードの端部を跨って該リードの表面に走査される、密閉型電池の製造方法。
【請求項６】
前記レーザ光の光源は、ファイバーレーザである、請求項５に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項７】
前記レーザ光の１秒間に走査する距離は、前記レーザ光のスポット径に対して２５００倍以上である、請求項６に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項８】
前記レーザ光の走査速度は、前記リードの表面を走査するときより、前記封口板の表面を走査するときの方が速い、請求項５に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項９】
前記レーザ光の出力は、前記リードの表面を走査するときより、前記封口板の表面を走査するときの方が低い、請求項５に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項１０】
前記レーザ光が前記封口板の表面を走査する際に、前記封口板の表面の前記レーザ光が照射されている近傍に気流を吹きつける、請求項５に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項１１】
前記レーザ光が照射される前記封口板の表面近傍に、前記封口板に対して熱伝導率の高い治具を接触させる、請求項５に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項１２】
前記レーザ光のスポット径は、前記リードの厚みの１／２〜１／１０である、請求項５に記載の密閉型電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は密閉型電池およびその製造方法に関し、特に、電極群から導出されたリードと封口板との接合構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯用電子機器等の駆動用電源として利用が広がっている高容量のアルカリ蓄電池に代表される水系電解液電池や、リチウムイオン電池に代表される非水系電解液電池などの密閉型電池が広く使用されている。さらに、近年の電子機器および通信機器の多機能化に伴って、さらなる密閉型電池の高容量化が望まれている。これら密閉型電池の高容量化が進む一方で重視すべきは安全対策であり、特に密閉型電池内の内部短絡などにより急激な温度上昇が起こり熱暴走に至る恐れもあるため、安全性の向上が強く要求されている。特に、大型・高出力な密閉型電池では、熱暴走を抑えるなどの安全性を向上させる工夫が必要である。【０００３】
これら密閉型電池は、正極板と負極板とをセパレータを介して捲回または積層してなる電極群が電解液とともに電池ケース内に収納され、電池ケースの開口部がガスケットを介して封口板で封口された密閉構造をなしている。そして、電極群の一方の極板（例えば、正極板）から導出されたリードは、一方の外部端子を兼ねた封口板に接続され、電極群の他方の極板（例えば、負極板）から導出されたリードは、他方の外部端子を兼ねた電池ケースの内面に接続されている。なお、リードと封口板または電池ケースの内面との接続は抵抗溶接が広く用いられている。【０００４】
ところで、電池ケースの開口部を封口する工程は、電極群を電池ケース内に収納した状態で、電極群から導出されたリードを封口板に抵抗溶接した後、リードを折り曲げて電池ケース内に収納し、電池ケースの開口部を封口板で密閉することにより行われる。この場合、電極群から導出されたリードを封口板に抵抗溶接する際、スパッタ（主に、リードの溶接部から離脱した金属粒子）が周囲に飛散し、この飛散したスパッタが電池ケース内の電極群に混入すると、セパレータを損傷させて内部短絡を引き起こす恐れがある。あるいは、飛散したスパッタが封口板の周縁部に取り付けられたガスケットに付着すると、電池ケースの開口部にガスケットを介して封口板をかしめ封口した際、ガスケットのかしめ封口による狭圧部がスパッタによって剪断されて、電池ケースと封口板とがスパッタを介して接触して短絡する恐れがある。【０００５】
このようなスパッタの混入等による短絡の発生に対して、例えば、電極群から導出されたリードを封口板に抵抗溶接する際、飛散したスパッタが電池ケース内に混入しないように電池ケースの開口部を作製時に薄板等で覆っておく方法もあるが、完全に覆うことはできないためスパッタの混入を防ぐには十分でない。【０００６】
これに対して、抵抗溶接の代わりに超音波溶接を用いて接合を行えば、抵抗溶接のような溶融は起きないので原理的にスパッタの混入を阻止することができる。しかしながら、超音波溶接による接合は抵抗溶接に比べて接合強度が劣る上に、超音波振動により封口板が防爆のための安全機構を有している場合はその機能に影響をおよぼす恐れや電極板から活物質が剥離する恐れがあるため信頼性の面で好ましくない。【０００７】
リチウムイオン二次電池の正極板の集電体の材質として通常アルミニウムが使用されるため、正極板から導出されるリードもアルミニウムが用いられている。さらに、軽量化を図るために、電池ケースおよび封口板もアルミニウムが使用され始めている。この場合、リードと封口板との溶接はアルミニウム同士の接続となるが、一般にアルミニウムは鋼に比べ導電率と熱伝導率が高く、抵抗溶接には大電流を短時間通電させる必要があり、鋼の溶接に比べ抵抗溶接する際に使用する溶接棒の損耗が激しく、長期間安定した溶接が困難である。【０００８】
そこで、リードと封口板との溶接には、局所的にエネルギーを集中させることができるパルス発振のＹＡＧレーザを用いたレーザ溶接が採用されている。このレーザ溶接は、レーザ光を小さく絞り込むことができるため、抵抗溶接に比べて溶融面積を小さくすることができ、その分飛散するスパッタの量も低減することができる。【０００９】
パルス発振のＹＡＧレーザ溶接の一例としては、図６に示すように、正極板と負極板との間にセパレータを介在させた極板群４１を収納する電池ケースの開口部を密閉する封口板１０１と、この極板群４１より導出したリード１１１とを、レーザを用いて２点以上連続的に溶接することにより、溶接部１４２の引張強度を増大させて電池の信頼性を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。【００１０】
また、別の方法としては、図７に示すように、正極板と負極板とをセパレータを介して積層した極板群から導出したリード１１１と封口板１０１との接合において、リード１１１の幅方向に２箇所以上、且つリード１１１の長手方向にも２箇所以上レーザ接合することにより、２列の溶接部１４２によりリード１１１と封口板１０１との接合強度を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−２９９０９９号公報
【特許文献２】特開２００７−２３４２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述した特許文献１、２に記載された従来技術において、リードと封口板との接合にパルス発振のＹＡＧレーザ溶接を用いたリチウムイオン二次電池の強度を含めた信頼性の評価を行ったところ、一定の割合で短絡に起因すると思われる発熱を生じたリチウムイオン二次電池が発生していた。本願発明者等は、内部短絡の発生の抑制を目的として、電極群から導出されたリードと封口板との溶接を種々の鋭意検討していたところ、以下のような課題があることを見出した。【００１３】
この発熱の生じたリチウムイオン二次電池をさらに詳しく調べてみると、ガスケットが剪断したことによる電池ケースの開口部と封口板との短絡や、セパレータが損傷したことによる内部短絡が発生していることが確認された。そして、その短絡の原因となった異物を分析した結果、リードおよび封口板の材料であるアルミニウムが含まれていることが分かった。【００１４】
このことから、極板群から導出したリードと封口板との溶接工程において、何らかの製造工程上の外部要因の変動に起因してレーザ溶接時にスパッタが飛散し、このスパッタがガスケットに付着、若しくは電池ケース内に混入したことを見出した。このスパッタは、極板群から導出したリードの位置のばらつきやレーザの照射位置のばらつきにより、リードの端をレーザ照射した場合に多く発生している。【００１５】
従来技術におけるパルス発振のＹＡＧレーザを用いてリードを封口板にレーザ溶接する方法を図５（ａ）〜（ｆ）に示す。図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は断面図、図５（ｄ），（ｅ），（ｆ）は上面から見た平面図である。【００１６】
図５（ａ）に示すように、リード１１１を封口板１０１に隙間が発生しないように当接させる。図５（ｄ）に示すように、封口板１０１の中央付近にリード１１１の端部が当接するような状態で配置されている。【００１７】
次に、図５（ｂ）に示すように、リード１１１の表面から当接した封口板１０１の方向にむけてレーザ光１２１の照射を開始して溶融部１５１を形成する。図５（ｅ）に示すように、封口板１０１の中央付近のリード１１１をレーザ溶接をして溶融部１５１をリード１１１に成形している。【００１８】
次に、図５（ｃ）に示すように、レーザ光１２１をリード１１１の幅方向に照射しながら走査して、リード１１１の表面のみを照射して溶融部１５１を形成し、その溶融部１５１が凝固して溶接部１４１を形成する。図５（ｆ）に、封口板１０１の中央付近のリード１１１にレーザ溶接による溶融部１５１とその溶融部１５１が凝固して成形した溶接部１４１の位置関係を示している。【００１９】
ここで、ＹＡＧレーザには、レーザ光を連続的に発振する連続発振（ＣＷ）ＹＡＧレーザと、レーザ光をパルス状に発振するパルス発振のＹＡＧレーザとがあり、どちらにおいてもリードと封口板の溶接は可能である。しかし、パルス発振のＹＡＧレーザの方がエネルギーを溜めて瞬間的に放出するため、平均パワーを下げることが可能である。また、パルス発振のＹＡＧレーザの方が連続発振（ＣＷ）ＹＡＧレーザに比べ放熱が大きいために、走査中において溶接初めと最後の溶融部温度を同一にし易いことから、一般的にはパルス発振のＹＡＧレーザが用いられる。さらにパルス発振のＹＡＧレーザに対する説明をする。【００２０】
パルス発振のＹＡＧレーザは、本発明で使用するファイバーレーザと比較して集光性が低いため、溶接に使用される光ファイバーと集光レンズを用いた光学系での加工点におけるレーザ光のスポット径は、ファイバーレーザよりも１桁大きく、実際は０．３〜０．８ｍｍ程度であり、リード１１１の厚みと同じか大きい。図５（ｂ）および図５（ｅ）において、レーザ光１２１がリード１１１の端を照射し始めたとき、リード１１１の端の広い範囲において溶融部１５１が形成される。このときに、溶融部１５１の中心部は周辺に熱が逃げることができないため急激に温度が上昇し、溶融金属の一部が飛散してスパッタ１３１が発生する。発生したスパッタ１３１が大きな場合には、図５（ｃ）および図５（ｆ）に示すような穴開き１１６が発生する恐れがある。【００２１】
このように、レーザ光１２１のスポット径がリード１１１の厚みよりも同じかあるいは大きなパルス発振のＹＡＧレーザを用いて、リード１１１を封口板１０１に溶接しようとすると、照射の開始、または途中あるいは終了時に拘わらず、リード１１１の外側を照射するときに必ずスパッタ１１３が発生し、特にリード１１１の端を照射する場合、スパッタ１３１が多く発生する。そのため、図５（ｂ）および図５（ｅ）に示すように、リード１１１の表面のみにレーザ溶接を行う。このようなスパッタ１１３の発生を防ぐために、リード１１１の表面の端から端までを照射せずに、リード１１１の表面内の狭い範囲で安定的に溶接しようとする。すると、溶接長が短くなり接合強度が低下して、振動等によりリード１１１が封口板１０１から外れて電池としての性能を発揮できなくなってしまう。【００２２】
従って、密閉型電池としての性能を確保するために溶接長を長くせざるを得ない。そのためには、リード１１１の端の近傍から反対側の端の近傍までレーザを照射する必要があり、リード１１１の位置のばらつきやレーザの照射位置のばらつきによって、リード１１１の端を照射してしまうことによりスパッタ１３１の発生を抑制することが困難であり、不良が多く発生してしまうという課題があった。【００２３】
本発明は上記従来の課題を鑑みなされたもので、その主な目的は、リードと封口板とのレーザ溶接時におけるスパッタの影響を低減しながらも、穴開きや接合強度の低下のない安定した高い信頼性を有する密閉型電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を達成するために本発明の密閉型電池は、正極板および負極板をセパレータを介して捲回または積層してなる電極群を電池ケース内に収容し、この電池ケースの開口部を封口板で封口した密閉型電池であって、前記電極群のいずれか一方の極板から導出されたリードが前記封口板にレーザ溶接されており、前記リードと前記封口板との溶接部は、少なくとも前記リードの端部を跨ってライン状に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、リードと封口板とのレーザ溶接工程において、リードの位置のばらつきやレーザの照射位置のばらつきなどの製造工程上の外部要因の変動が生じても、リードと封口板との接合の強度を維持しつつリードの穴開きが無く、レーザ溶接時におけるスパッタの発生を大幅に低減することができ、これにより、スパッタの混入を抑制した高い信頼性を有する密閉型電池を安定して実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施の形態における密閉型電池の構成を模式的に示した断面図である。
【図２】（ａ）は、本発明の一実施の形態におけるレーザ接合部の断面図、（ｂ）は、レーザ接合部の平面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施の形態におけるリードと封口板とのレーザ溶接工程を示した断面図、（ｄ）〜（ｆ）は、その平面図である。
【図４】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の他の実施の形態におけるリードと封口板との溶接部の構成を示した平面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、従来のパルス発振ＹＡＧレーザを用いたリードと封口板とのレーザ溶接工程を示した断面図、（ｄ）〜（ｆ）は、その平面図である。
【図６】従来のリードを封口板にレーザ溶接した電池の構成を示した部分模式図である。
【図７】従来のリードと封口板との溶接部の構成を示した部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の密閉型電池は、正極板および負極板をセパレータを介して捲回または積層してなる電極群を電池ケース内に収容し、この電池ケースの開口部を封口板で封口した密閉型電池であって、電極群のいずれか一方の極板から導出されたリードが封口板にレーザ溶接されており、リードと封口板との溶接部は、少なくともリードの端部を跨ってライン状に形成されている。これにより、レーザ溶接時におけるスパッタの発生を大幅に低減することができるとともに、リードと封口板との接合強度を高めることができる。その結果、リードの穴開きを抑制した高い信頼性を有する密閉型電池を安定して実現することができる。
【００２８】
ここで、リードは、当該リードの厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光を連続的に走査することによって、封口板にレーザ溶接されていることが好ましい。これにより、リードの穴開きやスパッタの発生を抑制し、リードと封口板との接合強度が高い信頼性のある密閉型電池を実現することができる。
【００２９】
また、溶接部の溶接幅に対する溶接長さの比が４以上であることが好ましい。これにより、接合強度の高い密閉型電池を実現できる。
【００３０】
また、リードおよび封口板は、アルミニウムを主成分とする材料で構成されていることが好ましい。アルミニウムを主成分とする材料は熱伝導率が高いため、冷却により過度な温度上昇を抑えてスパッタの発生を抑制し、溶融部の固まりを早くすることができる。さらに、アルミニウムを主成分とする材料は導電率が高いため、集電効率がよく、軽量にも拘わらず、接合強度の向上した高い信頼性を有する密閉型電池を実現できる。
【００３１】
本発明の密閉型電池の製造方法は、正極板および負極板をセパレータを介して捲回または積層して電極群を形成する工程と、電極群のいずれか一方の極板に、リードの一端を接続する工程と、電極群を電池ケース内に収容する工程と、リードの他端を封口板に当接させて、リードの厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光を連続的に走査しながらリード側から照射することによって、リードの他端を封口板にレーザ溶接する工程と、電池ケースの開口部を封口板で封口する工程とを含み、レーザ光は、少なくとも封口板の表面から、リードの端部を跨って該リードの表面に走査される。これにより、リードと封口板との溶接時の製造工程上の外部要因の変動が生じても、リードと封口板との接合強度を維持しつつ、リードの穴開きを抑制し、かつ、レーザ溶接時におけるスパッタの発生を大幅に低減することができる。その結果、スパッタの混入を低減した高い信頼性を有した密閉型電池を製造することが可能となる。
【００３２】
ここで、レーザ光の光源は、ファイバーレーザであることが好ましい。これにより、リードの厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光を容易に実現でき、リードの穴開きやスパッタが電池内に混入するのを抑制することが可能となる。
【００３３】
また、レーザ光の１秒間に走査する距離は、レーザ光のスポット径に対して２５００倍以上であることが好ましい。これにより、リードの外側に配置した封口板の表面をレーザ照射する際、単位時間当りの入熱量が抑えられるため、封口板の裏側へ溶融部が貫通することなく接合強度を高くすることが可能となる。
【００３４】
また、レーザ光の走査速度は、リードの表面を走査するときとより、封口板の表面を走査するときの方が速いことが好ましい。これにより、熱容量が小さく温度が上昇し易い封口板表面へレーザ照射する際、入熱量が抑えられるため、封口板の裏側へ溶融部が貫通することを防ぐことが可能となる。また、同様の効果を得るために、レーザ光の出力を、リードの表面を走査するときより、封口板の表面を走査するときの方を低くしてもよい。
【００３５】
また、レーザ光が封口板の表面を走査する際に、封口板の表面のレーザ光が照射されている近傍に気流を吹きつけることが好ましい。これにより、封口板表面へのレーザ照射において、気流による冷却によって封口板の過度な温度上昇を抑制し、封口板の裏側へ溶融部が貫通することを防ぐことが可能となる。また、同様の効果を得るために、レーザ光が照射される封口板の表面の近傍に、封口板に対して熱伝導率の高い治具を接触させるようにしてもよい。
【００３６】
また、レーザ光のスポット径は、リードの厚みの１／２〜１／１０であることが好ましい。これにより、レーザ光で溶接する際のスパッタの発生を大幅に低減するができ、信頼性の高い密閉型電池を製造することができる。
【００３７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
【００３８】
図１は、本発明の一実施の形態における密閉型電池の構成を模式的に示した断面図である。図１に示すように、正極板１と負極板２とがセパレータ３を介して捲回された電極群４が、電池ケース５内に上下の絶縁板５１、５２で挟み込まれた状態で電解液とともに収容されている。電池ケース５の開口部は、ガスケット６を介して封口板１０で封口されている。電極群４のいずれか一方の極板（例えば、正極板１）から導出されたリード１１は、封口板１０にレーザ溶接されている。ここで、溶接部１４の一部は、リード１１が位置していない箇所、すなわち封口板１０の表面にも存在し、リードの表面と封口板の表面の両方に跨って存在している。
【００３９】
本発明の一実施形態における密閉型電池は、次のように製造される。まず、正極板１および負極板２をセパレータを介して積層または捲回して電極群４を形成した後、電極群４を上下の絶縁板５１、５２で挟み込んだ状態で電池ケース５内に収納する。次に、電極群４の下方の端部から導出したリード１８の一端を電池ケース５内の底部に溶接後、電極群４の上方の端部から導出したリード１１の他端を封口板１０に当接させた状態にする。その状態で、リード１１の他端を封口板１０の底面にレーザ溶接を行い、溶接部１４を成形する。さらに電池ケース５の開口部より非水系電解液を注液し、ガスケット６を周縁に具備した封口板１０をリード１１を折り曲げて載置し、電池ケース５の開口部を内側方向に折り曲げかしめ封口して電池ケース５を密閉し、密閉型電池を作製する。
【００４０】
図２（ａ）は、本発明の一実施の形態におけるレーザ接合部の断面図、図２（ｂ）は、レーザ接合部の平面図である。図２（ａ）に示すように、溶接部１４がリード１１と封口板１０とに溶け込んで接合している。また、図２（ｂ）に示すように、溶接部１４がリード１１の表面と封口板１０の表面の両方に跨って形成している。
【００４１】
このリード１１と封口板１０とのレーザ溶接について、図３（ａ）〜（ｆ）を参照しながら、詳細に説明する。ここで、図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施の形態におけるリードと封口板とのレーザ溶接工程を示した断面図、（ｄ）〜（ｆ）は、その平面図である。
【００４２】
図３（ａ）、（ｄ）に示すように、封口板１０の中央付近にリード１１の端部を配置し、リード１１を、封口板１０との間に隙間が発生しないように封口板１０に当接させる。次に、図３（ｂ）に示すように、リード１１の厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光１２を、リード１１の幅方向に沿ってリード１１が存在しない部分、すなわち封口板１０表面からリード１１に向かって連続的に走査する。このとき、図３（ｅ）に示すように、封口板１０表面からリード１１に向かって連続的に走査し始めたときは、封口板１０の表面だけに溶融部１５が存在する。
【００４３】
さらに、図３（ｃ）に示すように、レーザ光１２をリード１１の表面に沿って連続的に走査し、リード１１の端部へ到達する前にレーザ光１２の照射を停止する。レーザ光１２が移動することにより、レーザ光１２が通過してしまった溶融部１５は冷却されて溶接部１４となり、照射部近傍のみが溶融部１５となっている。溶融部１５もレーザ光１２の移動と共に封口板１０あるいはリード１１上を移動していく。ここで、図３（ｆ）に示すように、溶接部１４はリード１１の表面と封口板１０の表面の両方に跨って形成される。
【００４４】
このように、リード１１の厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光１２をリード１１の端に照射したとき、溶融部１５は、図５（ｃ）に示したパルス発振のＹＡＧレーザの溶融部１５１と比較して非常に狭いために、スパッタが発生し難く且つ穴開きも発生しない。このときの溶接メカニズムは、以下のとおりである。
【００４５】
リード１１の厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光１２の照射を継続していくと、レーザ光１２のエネルギーによりリード１１自身の温度が徐々に上がり、加熱された一部では局所的に急激に溶融して溶融部１５を形成する。それとともに、溶融したリード１１の金属蒸気である高圧プラズマが蒸発する際の反発力により、溶融部１５の表面にキーホールと呼ばれる凹みが僅かに形成される。一度キーホールが形成されると、レーザ光１２がそのキーホール内で多重反射を繰り返すため、レーザ光１２のエネルギーはリード１１に効率良く吸収されるようになり、溶融幅や溶融深さが急激に広がっていく。
【００４６】
さらにキーホールが深く進むことにより、封口板１０と溶接されるようになる。その後は、熱的なバランスのもと、一定の溶融幅、溶融深さでレーザ溶接が進んでいく。この場合、レーザ光１２の照射のエネルギーが効率良くリード１１から封口板１０へと進んでいくため、リード１１の端をレーザ照射した場合でもスパッタの発生が抑制される。
【００４７】
このように、リード１１と封口板１０との溶接部９は、深溶け込み型のキーホール溶接となっており、レーザ溶接に必要な溶融幅や体積も大幅に小さくなっている。さらに、キーホール溶接では、キーホール内でレーザ光１２が多重反射を繰り返していくため、レーザ投入エネルギーが効率よくリード１１と封口板１０に吸収される。
【００４８】
そのため、キーホール溶接では、パルス発振のＹＡＧレーザなどの熱伝導型の溶接（リード１１に投入されたレーザエネルギーが、リード１１を介して封口板１０まで熱伝導することにより、溶接される）に比べて、レーザ投入エネルギーを削減することができ、発生するスパッタの絶対量を削減することができる。
【００４９】
本発明においては、従来のように、リード１１の表面だけをレーザ溶接するのではなく、レーザ光１２の走査をリード１１の表面より長い位置、すなわちリード１１の表面と封口板１０の表面の両方に跨って存在するように溶接する。これにより、製造工程上の外部要因の変動（例えば、リード１１の位置のばらつきやレーザ光１２の照射位置のばらつきなど）が生じても、スパッタの発生に大きな要因となるリード１１の端部位置のレーザ溶接に作用されることなくレーザ溶接が可能となる。その結果、レーザ溶接に伴うスパッタの発生を抑え、電池ケース内へのスパッタの混入や封口板１０の周縁に具備したガスケット６へのスパッタの付着を極端に低減することができため、リード１１や封口板の穴開きを抑制しつつ、接合強度の低下を抑えた信頼性の高い密閉型電池を供給することが可能になる。さらに、コスト面でも安価な装置で製造することが可能となり、特に、密閉型電池の高容量化、小型化、薄型化が進み、幅の狭いリードにも対応が可能で、接合強度を維持しつつスパッタの発生を抑制した溶接による高品質な密閉型電池を安定して製造できる。
【００５０】
なお、このときのレーザ光１２のスポット径はリード１１の厚みよりも小さい値とするが、リード１１の厚みの１／２〜１／１０程度が好ましい。さらには安定したキーホール溶接をするにはレーザ光１２のスポット径をリード１１の厚みの１／５〜１／１０が好ましい。
【００５１】
レーザ光１２のスポット径がリード１１の厚みの１／２より大きくなると、溶融面積が大きくなり、加熱された部分の温度上昇が急激に進み、溶融金属が飛散してスパッタの発生の抑制が困難となる。また、レーザ光１２のスポット径をリード１１の厚みの１／１０未満にすると、封口板１０とリード１１との溶接強度が損なわれ、封口板１０を電池ケースの開口部に載置するためリード１１を折り曲げた際に外れる恐れがある。
【００５２】
例えば、スポット径をリード１１の厚みである０．２ｍｍよりも小さい値とすることにより、溶け込み深さが深くなるキーホール溶接を実現することができる。特に、スポット径を０．０４ｍｍより小さくしてパワー密度を向上すると、有効的にキーホールが形成され、溶融面積が狭く且つ深い溶込みの溶接が可能となる。このような小さなスポット径を実現するためには、例えば、光ファイバー自身がレーザ発振器となっているファイバーレーザを用いることができる。ファイバーレーザからの拡がり角等のビーム品質が非常に優れているため、スポット径を十分に小さくすることが可能となる。本発明者らの実験においては、スポット径を０．１ｍｍにすることができ、さらには集光光学系の改善により０．０１ｍｍ程度まで小さくすることができる。
【００５３】
従来のパルス発振のＹＡＧレーザでは、伝送用の光ファイバーを用いており集光性が低い。そのため、そのスポット径は通常で０．６〜０．８ｍｍであり、リード１１の厚みと同じか大きく、最小でも０．３ｍｍであるために、リード１１の端の広い範囲において溶融部１５が形成され、キーホールが形成されない熱伝導型の溶接となる。
【００５４】
一方、キーホール溶接では、溶融部１５の中心部は、周辺の熱を逃がし急激に温度の上昇がない。そのため、溶融金属の一部が飛散することがなく、スパッタの発生が抑制されるため、リード１１や封口板１０に穴開きが発生するのを抑制できる。従って、密閉型電池としての性能を確保するために、溶接長を長くでき、リード１１の端部から反対側の端部までレーザを照射することが可能となる。その結果、リード１１の広い範囲で安定的に溶接することができるため、接合強度を高めることができる。また、封口板１０を電池ケースの開口部に載置するためリード１１を折り曲げた際や、振動等によりリード１１が封口板１０から外れることはない。
【００５５】
ところで、本発明の一実施の形態におけるレーザ光１２のスポット径は、リード１１の厚みの１／２〜１／１０程度と小さいため、溶接面積の縮小に伴う接合強度の低下が懸念される。接合強度を確保するために、溶接箇所を増やす必要があるが、複数個所をレーザ溶接すると、加熱、溶融、凝固の状態変化を繰り返すことになるため、スパッタが発生しやすくなる。加えて、溶接状態も溶接箇所によって不均一になるため、安定した接合強度が得られない。
【００５６】
そこで、本発明においては、スパッタが発生しない安定した接合構造を得るために、連続発振のレーザ光１２を連続的に走査してリード１１および封口板１０の表面にライン状の溶接部１４を形成する。これにより、接合強度を確保しつつ、且つスパッタ１３の発生も大幅に削減することができる。
【００５７】
なお、溶接部１４の溶接幅に対して溶接部１４の溶接長は４以上にすることが望ましい。接合強度は、溶接部１４の長さと幅の積、つまり溶接面積と相関があり、溶接部１４の幅は基本的には小さい方が良い。従って、小さい幅でも接合強度を持たすためには、溶接部１４の溶接幅に対して溶接長は４倍以上の溶接部を成形することが好ましい、これにより、封口板１０とリード１１との溶接強度が損なわれることなく、封口板１０を電池ケースの開口部に載置するためリード１１を折り曲げる際や振動により、リード１１と封口板１０との溶接部１４が破損しない。
【００５８】
図４（ａ）〜（ｆ）は、本発明の他の実施の形態におけるリードと封口板との溶接部の構成を示した平面図である。
【００５９】
図４（ａ）では、溶接開始がリード１１の表面で、溶接終了は封口板１０の表面となっている。また、図４（ｂ）では、溶接開始時が封口板１０の表面で、リード１１の表面を照射した後、溶接終了時が溶接開始時と反対側の封口板１０の表面となっている。また、図４（ｃ）では、リード１１の長手方向に平行にレーザ照射し、リード１１の上側と封口板１０とに跨った箇所に溶接部１４が形成されている。また、図４（ｄ）では、リード１１の表面を斜めに溶接し、リード１１の上側と右側の端辺を通り封口板１０とに跨った箇所に溶接部１４が形成されている。さらには、溶接部１４は、図４（ｅ）に示すような円形状や、図４（ｆ）に示すような折れ曲がった形状でも構わない。また、溶接部１４が、長方形、楕円、あるいは任意の図形を描いても構わない。また、レーザ光１２の走査についても、封口板１０の表面からリード１１の表面へ向かう走査であっても、あるいは、リード１１の表面から封口板１０の表面へ向かう走査であっても、もしくはそれらの組合せであっても構わない。
【実施例】
【００６０】
以下、本発明の密閉型電池として、リチウムイオン二次電池に適用した実施例を説明する。【００６１】
（実施例１）
正極板１は、次のようにして作製した。まず、活物質としてコバルト酸リチウムを１００重量部、導電材としてアセチレンブラックを２重量部、結着材としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を２重量部を、適量のＮ−メチル−２−ピロリドンと共に練合機にて攪拌して、正極合剤塗料を作製した。次いで、この正極合剤塗料を、厚み１５μｍのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布・乾燥し、総厚みが１６５μｍとなるようにプレスした後、スリット加工して正極板１を作製した。【００６２】
また、負極板２は、次のように作製した。まず、活物質として人造黒鉛を１００重量部、結着材としてスチレン−ブタジエン共重合体ゴム粒子分散体（固形分４０重量％）を２．５重量部（結着材の固形分換算で１重量部）、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースを１重量部、および適量の水とともに練合機にて攪拌して、負極合剤塗料を作製した。次いで、この負極合剤塗料を、厚み１０μｍの銅箔からなる負極集電体の両面に塗布・乾燥後、総厚みが１８０μｍとなるようにプレスした後、スリット加工して負極板２を作製した。【００６３】
このように作製した正極板１と負極板２とを、厚み２０μｍのポリエチレン微多孔フィルムのセパレータ３を介して捲回して電極群４を成形し、この電極群４を絶縁板５１、５２で挟み込まれた状態で電池ケース５内に収容した。次いで、電極群４の負極板２の端部から導出したリード１８の一端を電池ケース５内の底部に抵抗溶接を行った。さらに、電極群４の正極板１から導出されたアルミニウム箔からなるリード１１をアルミニウム板からなる封口板１０に当接させた状態で、レーザ光１２を連続照射して、リード１１を封口板１０に溶接した。ここで、リード１１の厚みは０．１５ｍｍ、幅は４ｍｍで、封口板１０の直径は１６．８ｍｍ、リード１１とを接合する部分の厚みは０．４ｍｍで、レーザ光のスポット径は０．０２ｍｍであった。レーザ光は、図３（ｂ）に示すように、封口板１０の表面から照射を開始し、図３（ｃ）に示すように、リード１１の右端より僅かに左側で照射を終了した。その結果、溶接部１４の溶融幅が０．２５ｍｍ、溶融長が２．２ｍｍ、封口板１０の表面の溶融長が０．２ｍｍの溶接部１４が形成された。【００６４】
次に、電池ケース５内に非水電解液を注液した後、リード１１を折り曲げて、封口板１０を電池ケース５の開口部に配置し、電池ケース５の開口部を、ガスケット６を介して封口板１０でかしめ封口して、リチウムイオン二次電池を作製し、これを実施例１とした。【００６５】
（比較例１）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、リード１１１と封口板１０１の溶接を、図５（ｂ）〜（ｃ）に示すように、スポット径が０．４ｍｍのパルスＹＡＧレーザを用いてリチウムイオン二次電池を作製し、これを比較例１とした。【００６６】
リードと封口板の溶接部を観察すると、実施例１では、レーザ溶接時に発生するスパッタが目視において全く観察されなかった。また、封口板１０やリード１１の表面を詳しく観察した結果、スパッタの付着は全くなく、且つ溶接部１４に穴開きも無かった。このときのリード１１と封口板１０との接合強度は約２３Ｎであった。一方、比較例１では、レーザ溶接時にスパッタ１３１の発生が目視で多く観察され、リード１１１および封口板１０１にもスパッタ１３１の付着が多く見られ、且つ溶接部１４１に穴開き１６１が発生していた。このときのリード１１と封口板１０との接合強度は約１９Ｎであった。【００６７】
実施例１と比較例１を比較すると、溶接自体はどちらもできており、電流の取出しは可能であるが、実施例１ではスパッタの発生がなく、信頼性の高い密閉型電池が得られた。【００６８】
（実施例２）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、リード１１の幅が２ｍｍであり、溶接部１４が、図４（ｂ）に示したように、リード１１の表面および両端より外側の封口板１０の表面に位置していること以外は、実施例１と同様のレーザ溶接を行いリチウムイオン二次電池を作製し、これを実施例２とした。【００６９】
（比較例２）
スポット径が０．４ｍｍのパルスＹＡＧレーザを用いること以外は、実施例２と同様にレーザ溶接を行いリチウムイオン二次電池を作製し、これを比較例２とした。【００７０】
リードと封口板の溶接部を観察すると、実施例２では、レーザ溶接時に発生するスパッタを観察したところ、目視においてスパッタは全く観察されなかった。また、封口板１０やリード１１の表面を詳しく観察した結果、スパッタの付着は全く無く、且つ溶接部１４に穴開きも無かった。このときのリード１１と封口板１０との接合強度は約２２Ｎであった。一方、比較例２では、レーザ溶接時にはスパッタ１３１の発生が目視で多く観察され、リード１１１および封口板１０１にもスパッタ１３１の付着が多く見られ、且つ溶接部１４１に穴開き１６１が発生していた。このときのリード１１と封口板１０との接合強度は約１３Ｎであった。【００７１】
実施例２と比較例２を比較すると、実施例２では、スパッタの発生が無く、密閉型電池の製造過程でスパッタがガスケットに付着したり、あるいは電池ケース内に混入することを抑制が可能であった。さらに、実施例２では、実施例１と同様の２ｍｍの溶接長さのため、接合強度においても同じ強度が得られている。比較例２では、穴開きのため、比較例１よりも接合強度が低下している。リード１１の幅が小さくても、実施例２によれば接合強度を維持しつつスパッタの発生を抑制することができた。【００７２】
（実施例３）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、溶接部１４の溶融幅を０．４ｍｍ、溶融長さを１．６ｍｍとした以外は、実施例１と同様のレーザ溶接を行いリチウムイオン二次電池を作製した。【００７３】
その結果、接合強度が約１５Ｎと安定した溶接強度が得られた。このことから、ライン状の溶接部１４の溶接幅に対する溶接長の比を４以上にすることが望ましい。【００７４】
接合強度は溶接部１４の長さと溶接幅の積、つまり溶接面積と相関がある。溶接幅を一定とすると、溶接長さと相関がある。溶接幅はレーザ光１２の照射時の溶融面積に依存するが、この溶融面積が小さい方がスパッタの発生が抑えられるため、溶接幅は基本的には小さい方が良い。しかし、溶接幅が小さすぎると接合強度の確保が難しくなるため、溶接幅と溶接長さの比が最適な領域が存在し、４以上が望ましい。【００７５】
（実施例４）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、スポット径が０．０２ｍｍのレーザ光１２の１秒間に走査する距離を１０〜５００ｍｍに変えて、実施例１と同様のレ−ザ溶接を行い、リチウムイオン二次電池を作製した。【００７６】
その結果、１秒間に走査する距離が５０ｍｍ以上になると、すなわち、レーザ光１２のスポット径に対して１秒間に走査する距離を２５００倍以上にするとスパッタの発生が見られなかった。一方、２５００倍未満の走査する距離でレーザ溶接するとスパッタの発生が見られ且つ溶接幅が大きくなった。【００７７】
レーザ光１２のスポット径に対して１秒間に走査する距離を２５００倍より小さいと、単位時間当たりの入熱量が多くなるため溶融面積が広くなり、その表面からスパッタが発生し易くなるためだと考えられる。レーザ溶接を行う際にスパッタの発生はレーザ光のスポット径と進む距離に大きな関係があり、レーザ光のスポット径に対して１秒間に走査する距離が２５００倍以上であることが好ましい。【００７８】
（実施例５）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、封口板１０の表面を走査するときのレーザ光１２の走査速度ｖ１と、リード１１の表面を走査するときのレーザ光１２の走査速度ｖ２とを変えて、実施例１と同様のレーザ溶接を行い、リチウムイオン二次電池を作製した。【００７９】
その結果、封口板１０の表面を走査するときのレーザ光１２の走査速度ｖ１を１００ｍｍ／秒、リード１１の表面を走査するときのレーザ光１２の走査速度ｖ２を５０ｍｍ／秒としたときのスパッタを観察したところ、何れの組合せにおいてもスパッタの発生は見られなかった。このことから、リード１１の表面を走査するときと比較して封口板１０の表面を走査するときにレーザ光の走査速度を速くすることが好ましい。【００８０】
（実施例６）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、封口板１０の表面を走査するときのレーザ光１２の出力ｐ１と、リード１１の表面を走査するときのレーザ光１２の出力ｐ２と変えて、実施例１と同様のレーザ溶接を行い、リチウムイオン二次電池を作製した。【００８１】
その結果、封口板１０の表面を走査するときのレーザ光１２の出力ｐ１を１５０〜５００Ｗ、リード１１の表面を走査するときのレーザ光１２の出力ｐ２を５００Ｗとしたときのスパッタを観察したところ、ｐ１、ｐ２共に５００Ｗの組合せのときのみスパッタの僅かな発生が見られた。このことから、リード１１の表面を走査するときと比較して封口板１０の表面を走査するときにレーザ光の出力を小さくすることが好ましい。【００８２】
（実施例７）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、レーザ光１２を照射している封口板１０の表面近傍に窒素ガスを直径が２ｍｍのノズル先端から１０Ｌ／分の流量で吹き付け、且つレーザ光１２の走査速度を５０ｍｍ／秒として、実施例１と同様にレーザ溶接を行い、リチウムイオン二次電池を作製した。【００８３】
その結果、リードと封口板の溶接部を観察すると、スパッタの発生は見られなかった。また、雰囲気ガスをヘリウムとアルゴンガスに変更して同様の溶接を行った結果、スパッタの発生は同様に見られなかった。レーザ光が走査する近傍のリード表面に雰囲気ガスの気流を吹付け、気流による冷却によって封口板１０およびリード１１の部分の過度な温度上昇を抑えてスパッタの発生を抑制できる。【００８４】
（実施例８）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、図３（ｅ）に示した溶融部１５の周辺の封口板１０にアルミニウム製の板からなる治具を面接触させて、且つレーザ光の走査速度を５０ｍｍ／秒として、実施例１と同様にレーザ溶接を行いリチウムイオン二次電池を作製した。【００８５】
その結果、リードと封口板の溶接部を観察すると、スパッタの発生は見られなかった。また、封口板１０に接触させる治具の金属を銅およびタングステンに変更して同様のレーザ溶接を行った結果、スパッタの発生は同様に見られなかった。レーザ光１２が走査する近傍の封口板１０の表面に熱伝導率の高い金属製の治具を面接触させることで封口板１０の部分の過度な温度上昇を抑えてスパッタの発生を抑制できる。【００８６】
以上、本発明を好適な実施の形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、上記実施の形態において、リード１１と封口板１０とは同じアルミニウム材を例に説明したが、異種金属からなるリード１１及び封口板１０であっても勿論構わない。また、リード１１が溶接された封口板１０は、電池ケース５にかしめ封口される以外に、電池ケース５の開口部に溶接により封口されたものであってもよい。【００８７】
なお、本発明が適用される密閉型電池は、その種類に特に制限はなく、リチウムイオン二次電池の他、ニッケル水素蓄電池等にも適用することができる。また、円筒形二次電池に限らず、角形二次電池にも適応し得る。さらには、一次電池にも適用し得る。さらに、電極群は、正極板及び負極板をセパレータを介して捲回されたものに限らず、積層されたものでもよい。また、一次・二次電池に限らず、その他のデバイスにおける薄板の重ね合わせ溶接への適用も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明によれば、安定した高い信頼性を有する密閉型電池を実現でき、携帯機器等の駆動用電源として有用である。
【符号の説明】
【００８９】
１    正極板
２    負極板
３    セパレータ
４    電極群
５    電池ケース
６    ガスケット
１０  封口板
１１  リード
１２  レーザ光
１４  溶接部
１５  溶融部
１８  リード
５１、５２  絶縁板
【図１】
2011016200.tif 000003
【図２】
2011016200.tif 000004
【図３】
2011016200.tif 000005
【図４】
2011016200.tif 000006
【図５】
2011016200.tif 000007
【図６】
2011016200.tif 000008
【図７】
2011016200.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月7日(2011.1.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は密閉型電池およびその製造方法に関し、特に、電極群から導出されたリードと封口板との接合構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯用電子機器等の駆動用電源として利用が広がっている高容量のアルカリ蓄電池に代表される水系電解液電池や、リチウムイオン電池に代表される非水系電解液電池などの密閉型電池が広く使用されている。さらに、近年の電子機器および通信機器の多機能化に伴って、さらなる密閉型電池の高容量化が望まれている。これら密閉型電池の高容量化が進む一方で重視すべきは安全対策であり、特に密閉型電池内の内部短絡などにより急激な温度上昇が起こり熱暴走に至る恐れもあるため、安全性の向上が強く要求されている。特に、大型・高出力な密閉型電池では、熱暴走を抑えるなどの安全性を向上させる工夫が必要である。
【０００３】
これら密閉型電池は、正極板と負極板とをセパレータを介して捲回または積層してなる電極群が電解液とともに電池ケース内に収納され、電池ケースの開口部がガスケットを介して封口板で封口された密閉構造をなしている。そして、電極群の一方の極板（例えば、正極板）から導出されたリードは、一方の外部端子を兼ねた封口板に接続され、電極群の他方の極板（例えば、負極板）から導出されたリードは、他方の外部端子を兼ねた電池ケースの内面に接続されている。なお、リードと封口板または電池ケースの内面との接続は抵抗溶接が広く用いられている。
【０００４】
ところで、電池ケースの開口部を封口する工程は、電極群を電池ケース内に収納した状態で、電極群から導出されたリードを封口板に抵抗溶接した後、リードを折り曲げて電池ケース内に収納し、電池ケースの開口部を封口板で密閉することにより行われる。この場合、電極群から導出されたリードを封口板に抵抗溶接する際、スパッタ（主に、リードの溶接部から離脱した金属粒子）が周囲に飛散し、この飛散したスパッタが電池ケース内の電極群に混入すると、セパレータを損傷させて内部短絡を引き起こす恐れがある。あるいは、飛散したスパッタが封口板の周縁部に取り付けられたガスケットに付着すると、電池ケースの開口部にガスケットを介して封口板をかしめ封口した際、ガスケットのかしめ封口による狭圧部がスパッタによって剪断されて、電池ケースと封口板とがスパッタを介して接触して短絡する恐れがある。
【０００５】
このようなスパッタの混入等による短絡の発生に対して、例えば、電極群から導出されたリードを封口板に抵抗溶接する際、飛散したスパッタが電池ケース内に混入しないように電池ケースの開口部を作製時に薄板等で覆っておく方法もあるが、完全に覆うことはできないためスパッタの混入を防ぐには十分でない。
【０００６】
これに対して、抵抗溶接の代わりに超音波溶接を用いて接合を行えば、抵抗溶接のような溶融は起きないので原理的にスパッタの混入を阻止することができる。しかしながら、超音波溶接による接合は抵抗溶接に比べて接合強度が劣る上に、超音波振動により封口板が防爆のための安全機構を有している場合はその機能に影響をおよぼす恐れや電極板から活物質が剥離する恐れがあるため信頼性の面で好ましくない。
【０００７】
リチウムイオン二次電池の正極板の集電体の材質として通常アルミニウムが使用されるため、正極板から導出されるリードもアルミニウムが用いられている。さらに、軽量化を図るために、電池ケースおよび封口板もアルミニウムが使用され始めている。この場合、リードと封口板との溶接はアルミニウム同士の接続となるが、一般にアルミニウムは鋼に比べ導電率と熱伝導率が高く、抵抗溶接には大電流を短時間通電させる必要があり、鋼の溶接に比べ抵抗溶接する際に使用する溶接棒の損耗が激しく、長期間安定した溶接が困難である。
【０００８】
そこで、リードと封口板との溶接には、局所的にエネルギーを集中させることができるパルス発振のＹＡＧレーザを用いたレーザ溶接が採用されている。このレーザ溶接は、レーザ光を小さく絞り込むことができるため、抵抗溶接に比べて溶融面積を小さくすることができ、その分飛散するスパッタの量も低減することができる。
【０００９】
パルス発振のＹＡＧレーザ溶接の一例としては、図６に示すように、正極板と負極板との間にセパレータを介在させた極板群４１を収納する電池ケースの開口部を密閉する封口板１０１と、この極板群４１より導出したリード１１１とを、レーザを用いて２点以上連続的に溶接することにより、溶接部１４２の引張強度を増大させて電池の信頼性を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
また、別の方法としては、図７に示すように、正極板と負極板とをセパレータを介して積層した極板群から導出したリード１１１と封口板１０１との接合において、リード１１１の幅方向に２箇所以上、且つリード１１１の長手方向にも２箇所以上レーザ接合することにより、２列の溶接部１４２によりリード１１１と封口板１０１との接合強度を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−２９９０９９号公報
【特許文献２】特開２００７−２３４２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述した特許文献１、２に記載された従来技術において、リードと封口板との接合にパルス発振のＹＡＧレーザ溶接を用いたリチウムイオン二次電池の強度を含めた信頼性の評価を行ったところ、一定の割合で短絡に起因すると思われる発熱を生じたリチウムイオン二次電池が発生していた。本願発明者等は、内部短絡の発生の抑制を目的として、電極群から導出されたリードと封口板との溶接を種々の鋭意検討していたところ、以下のような課題があることを見出した。
【００１３】
この発熱の生じたリチウムイオン二次電池をさらに詳しく調べてみると、ガスケットが剪断したことによる電池ケースの開口部と封口板との短絡や、セパレータが損傷したことによる内部短絡が発生していることが確認された。そして、その短絡の原因となった異物を分析した結果、リードおよび封口板の材料であるアルミニウムが含まれていることが分かった。
【００１４】
このことから、極板群から導出したリードと封口板との溶接工程において、何らかの製造工程上の外部要因の変動に起因してレーザ溶接時にスパッタが飛散し、このスパッタがガスケットに付着、若しくは電池ケース内に混入したことを見出した。このスパッタは、極板群から導出したリードの位置のばらつきやレーザの照射位置のばらつきにより、リードの端をレーザ照射した場合に多く発生している。
【００１５】
従来技術におけるパルス発振のＹＡＧレーザを用いてリードを封口板にレーザ溶接する方法を図５（ａ）〜（ｆ）に示す。図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は断面図、図５（ｄ），（ｅ），（ｆ）は上面から見た平面図である。
【００１６】
図５（ａ）に示すように、リード１１１を封口板１０１に隙間が発生しないように当接させる。図５（ｄ）に示すように、封口板１０１の中央付近にリード１１１の端部が当接するような状態で配置されている。
【００１７】
次に、図５（ｂ）に示すように、リード１１１の表面から当接した封口板１０１の方向にむけてレーザ光１２１の照射を開始して溶融部１５１を形成する。図５（ｅ）に示すように、封口板１０１の中央付近のリード１１１をレーザ溶接をして溶融部１５１をリード１１１に成形している。
【００１８】
次に、図５（ｃ）に示すように、レーザ光１２１をリード１１１の幅方向に照射しながら走査して、リード１１１の表面のみを照射して溶融部１５１を形成し、その溶融部１５１が凝固して溶接部１４１を形成する。図５（ｆ）に、封口板１０１の中央付近のリード１１１にレーザ溶接による溶融部１５１とその溶融部１５１が凝固して成形した溶接部１４１の位置関係を示している。
【００１９】
ここで、ＹＡＧレーザには、レーザ光を連続的に発振する連続発振（ＣＷ）ＹＡＧレーザと、レーザ光をパルス状に発振するパルス発振のＹＡＧレーザとがあり、どちらにおいてもリードと封口板の溶接は可能である。しかし、パルス発振のＹＡＧレーザの方がエネルギーを溜めて瞬間的に放出するため、平均パワーを下げることが可能である。また、パルス発振のＹＡＧレーザの方が連続発振（ＣＷ）ＹＡＧレーザに比べ放熱が大きいために、走査中において溶接初めと最後の溶融部温度を同一にし易いことから、一般的にはパルス発振のＹＡＧレーザが用いられる。さらにパルス発振のＹＡＧレーザに対する説明をする。
【００２０】
パルス発振のＹＡＧレーザは、本発明で使用するファイバーレーザと比較して集光性が低いため、溶接に使用される光ファイバーと集光レンズを用いた光学系での加工点におけるレーザ光のスポット径は、ファイバーレーザよりも１桁大きく、実際は０．３〜０．８ｍｍ程度であり、リード１１１の厚みと同じか大きい。図５（ｂ）および図５（ｅ）において、レーザ光１２１がリード１１１の端を照射し始めたとき、リード１１１の端の広い範囲において溶融部１５１が形成される。このときに、溶融部１５１の中心部は周辺に熱が逃げることができないため急激に温度が上昇し、溶融金属の一部が飛散してスパッタ１３１が発生する。発生したスパッタ１３１が大きな場合には、図５（ｃ）および図５（ｆ）に示すような穴開き１１６が発生する恐れがある。
【００２１】
このように、レーザ光１２１のスポット径がリード１１１の厚みよりも同じかあるいは大きなパルス発振のＹＡＧレーザを用いて、リード１１１を封口板１０１に溶接しようとすると、照射の開始、または途中あるいは終了時に拘わらず、リード１１１の外側を照射するときに必ずスパッタ１１３が発生し、特にリード１１１の端を照射する場合、スパッタ１３１が多く発生する。そのため、図５（ｂ）および図５（ｅ）に示すように、リード１１１の表面のみにレーザ溶接を行う。このようなスパッタ１１３の発生を防ぐために、リード１１１の表面の端から端までを照射せずに、リード１１１の表面内の狭い範囲で安定的に溶接しようとする。すると、溶接長が短くなり接合強度が低下して、振動等によりリード１１１が封口板１０１から外れて電池としての性能を発揮できなくなってしまう。
【００２２】
従って、密閉型電池としての性能を確保するために溶接長を長くせざるを得ない。そのためには、リード１１１の端の近傍から反対側の端の近傍までレーザを照射する必要があり、リード１１１の位置のばらつきやレーザの照射位置のばらつきによって、リード１１１の端を照射してしまうことによりスパッタ１３１の発生を抑制することが困難であり、不良が多く発生してしまうという課題があった。
【００２３】
本発明は上記従来の課題を鑑みなされたもので、その主な目的は、リードと封口板とのレーザ溶接時におけるスパッタの影響を低減しながらも、穴開きや接合強度の低下のない安定した高い信頼性を有する密閉型電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を達成するために本発明の密閉型電池は、正極板および負極板をセパレータを介して捲回または積層してなる電極群を電池ケース内に収容し、この電池ケースの開口部を封口板で封口した密閉型電池であって、前記電極群のいずれか一方の極板から導出されたリードが前記封口板にレーザ溶接されており、前記リードと前記封口板との溶接部は、少なくとも前記リードの端部を跨ってライン状に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、リードと封口板とのレーザ溶接工程において、リードの位置のばらつきやレーザの照射位置のばらつきなどの製造工程上の外部要因の変動が生じても、リードと封口板との接合の強度を維持しつつリードの穴開きが無く、レーザ溶接時におけるスパッタの発生を大幅に低減することができ、これにより、スパッタの混入を抑制した高い信頼性を有する密閉型電池を安定して実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施の形態における密閉型電池の構成を模式的に示した断面図である。
【図２】（ａ）は、本発明の一実施の形態におけるレーザ接合部の断面図、（ｂ）は、レーザ接合部の平面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施の形態におけるリードと封口板とのレーザ溶接工程を示した断面図、（ｄ）〜（ｆ）は、その平面図である。
【図４】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の他の実施の形態におけるリードと封口板との溶接部の構成を示した平面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、従来のパルス発振ＹＡＧレーザを用いたリードと封口板とのレーザ溶接工程を示した断面図、（ｄ）〜（ｆ）は、その平面図である。
【図６】従来のリードを封口板にレーザ溶接した電池の構成を示した部分模式図である。
【図７】従来のリードと封口板との溶接部の構成を示した部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の密閉型電池は、正極板および負極板をセパレータを介して捲回または積層してなる電極群を電池ケース内に収容し、この電池ケースの開口部を封口板で封口した密閉型電池であって、電極群のいずれか一方の極板から導出されたリードが封口板にレーザ溶接されており、リードと封口板との溶接部は、少なくともリードの端部を跨ってライン状に形成されている。これにより、レーザ溶接時におけるスパッタの発生を大幅に低減することができるとともに、リードと封口板との接合強度を高めることができる。その結果、リードの穴開きを抑制した高い信頼性を有する密閉型電池を安定して実現することができる。
【００２８】
ここで、リードは、当該リードの厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光を連続的に走査することによって、封口板にレーザ溶接されていることが好ましい。これにより、リードの穴開きやスパッタの発生を抑制し、リードと封口板との接合強度が高い信頼性のある密閉型電池を実現することができる。
【００２９】
また、溶接部の溶接幅に対する溶接長さの比が４以上であることが好ましい。これにより、接合強度の高い密閉型電池を実現できる。
【００３０】
また、リードおよび封口板は、アルミニウムを主成分とする材料で構成されていることが好ましい。アルミニウムを主成分とする材料は熱伝導率が高いため、冷却により過度な温度上昇を抑えてスパッタの発生を抑制し、溶融部の固まりを早くすることができる。さらに、アルミニウムを主成分とする材料は導電率が高いため、集電効率がよく、軽量にも拘わらず、接合強度の向上した高い信頼性を有する密閉型電池を実現できる。
【００３１】
本発明の密閉型電池の製造方法は、正極板および負極板をセパレータを介して捲回または積層して電極群を形成する工程と、電極群のいずれか一方の極板に、リードの一端を接続する工程と、電極群を電池ケース内に収容する工程と、リードの他端を封口板に当接させて、リードの厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光を連続的に走査しながらリード側から照射することによって、リードの他端を封口板にレーザ溶接する工程と、電池ケースの開口部を封口板で封口する工程とを含み、レーザ光は、少なくとも封口板の表面から、リードの端部を跨って該リードの表面に走査される。これにより、リードと封口板との溶接時の製造工程上の外部要因の変動が生じても、リードと封口板との接合強度を維持しつつ、リードの穴開きを抑制し、かつ、レーザ溶接時におけるスパッタの発生を大幅に低減することができる。その結果、スパッタの混入を低減した高い信頼性を有した密閉型電池を製造することが可能となる。
【００３２】
ここで、レーザ光の光源は、ファイバーレーザであることが好ましい。これにより、リードの厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光を容易に実現でき、リードの穴開きやスパッタが電池内に混入するのを抑制することが可能となる。
【００３３】
また、レーザ光の１秒間に走査する距離は、レーザ光のスポット径に対して２５００倍以上であることが好ましい。これにより、リードの外側に配置した封口板の表面をレーザ照射する際、単位時間当りの入熱量が抑えられるため、封口板の裏側へ溶融部が貫通することなく接合強度を高くすることが可能となる。
【００３４】
また、レーザ光の走査速度は、リードの表面を走査するときとより、封口板の表面を走査するときの方が速いことが好ましい。これにより、熱容量が小さく温度が上昇し易い封口板表面へレーザ照射する際、入熱量が抑えられるため、封口板の裏側へ溶融部が貫通することを防ぐことが可能となる。また、同様の効果を得るために、レーザ光の出力を、リードの表面を走査するときより、封口板の表面を走査するときの方を低くしてもよい。
【００３５】
また、レーザ光が封口板の表面を走査する際に、封口板の表面のレーザ光が照射されている近傍に気流を吹きつけることが好ましい。これにより、封口板表面へのレーザ照射において、気流による冷却によって封口板の過度な温度上昇を抑制し、封口板の裏側へ溶融部が貫通することを防ぐことが可能となる。また、同様の効果を得るために、レーザ光が照射される封口板の表面の近傍に、封口板に対して熱伝導率の高い治具を接触させるようにしてもよい。
【００３６】
また、レーザ光のスポット径は、リードの厚みの１／２〜１／１０であることが好ましい。これにより、レーザ光で溶接する際のスパッタの発生を大幅に低減するができ、信頼性の高い密閉型電池を製造することができる。
【００３７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
【００３８】
図１は、本発明の一実施の形態における密閉型電池の構成を模式的に示した断面図である。図１に示すように、正極板１と負極板２とがセパレータ３を介して捲回された電極群４が、電池ケース５内に上下の絶縁板５１、５２で挟み込まれた状態で電解液とともに収容されている。電池ケース５の開口部は、ガスケット６を介して封口板１０で封口されている。電極群４のいずれか一方の極板（例えば、正極板１）から導出されたリード１１は、封口板１０にレーザ溶接されている。ここで、溶接部１４の一部は、リード１１が位置していない箇所、すなわち封口板１０の表面にも存在し、リードの表面と封口板の表面の両方に跨って存在している。
【００３９】
本発明の一実施形態における密閉型電池は、次のように製造される。まず、正極板１および負極板２をセパレータを介して積層または捲回して電極群４を形成した後、電極群４を上下の絶縁板５１、５２で挟み込んだ状態で電池ケース５内に収納する。次に、電極群４の下方の端部から導出したリード１８の一端を電池ケース５内の底部に溶接後、電極群４の上方の端部から導出したリード１１の他端を封口板１０に当接させた状態にする。その状態で、リード１１の他端を封口板１０の底面にレーザ溶接を行い、溶接部１４を成形する。さらに電池ケース５の開口部より非水系電解液を注液し、ガスケット６を周縁に具備した封口板１０をリード１１を折り曲げて載置し、電池ケース５の開口部を内側方向に折り曲げかしめ封口して電池ケース５を密閉し、密閉型電池を作製する。
【００４０】
図２（ａ）は、本発明の一実施の形態におけるレーザ接合部の断面図、図２（ｂ）は、レーザ接合部の平面図である。図２（ａ）に示すように、溶接部１４がリード１１と封口板１０とに溶け込んで接合している。また、図２（ｂ）に示すように、溶接部１４がリード１１の表面と封口板１０の表面の両方に跨って形成している。
【００４１】
このリード１１と封口板１０とのレーザ溶接について、図３（ａ）〜（ｆ）を参照しながら、詳細に説明する。ここで、図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施の形態におけるリードと封口板とのレーザ溶接工程を示した断面図、（ｄ）〜（ｆ）は、その平面図である。
【００４２】
図３（ａ）、（ｄ）に示すように、封口板１０の中央付近にリード１１の端部を配置し、リード１１を、封口板１０との間に隙間が発生しないように封口板１０に当接させる。次に、図３（ｂ）に示すように、リード１１の厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光１２を、リード１１の幅方向に沿ってリード１１が存在しない部分、すなわち封口板１０表面からリード１１に向かって連続的に走査する。このとき、図３（ｅ）に示すように、封口板１０表面からリード１１に向かって連続的に走査し始めたときは、封口板１０の表面だけに溶融部１５が存在する。
【００４３】
さらに、図３（ｃ）に示すように、レーザ光１２をリード１１の表面に沿って連続的に走査し、リード１１の端部へ到達する前にレーザ光１２の照射を停止する。レーザ光１２が移動することにより、レーザ光１２が通過してしまった溶融部１５は冷却されて溶接部１４となり、照射部近傍のみが溶融部１５となっている。溶融部１５もレーザ光１２の移動と共に封口板１０あるいはリード１１上を移動していく。ここで、図３（ｆ）に示すように、溶接部１４はリード１１の表面と封口板１０の表面の両方に跨って形成される。
【００４４】
このように、リード１１の厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光１２をリード１１の端に照射したとき、溶融部１５は、図５（ｃ）に示したパルス発振のＹＡＧレーザの溶融部１５１と比較して非常に狭いために、スパッタが発生し難く且つ穴開きも発生しない。このときの溶接メカニズムは、以下のとおりである。
【００４５】
リード１１の厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光１２の照射を継続していくと、レーザ光１２のエネルギーによりリード１１自身の温度が徐々に上がり、加熱された一部では局所的に急激に溶融して溶融部１５を形成する。それとともに、溶融したリード１１の金属蒸気である高圧プラズマが蒸発する際の反発力により、溶融部１５の表面にキーホールと呼ばれる凹みが僅かに形成される。一度キーホールが形成されると、レーザ光１２がそのキーホール内で多重反射を繰り返すため、レーザ光１２のエネルギーはリード１１に効率良く吸収されるようになり、溶融幅や溶融深さが急激に広がっていく。
【００４６】
さらにキーホールが深く進むことにより、封口板１０と溶接されるようになる。その後は、熱的なバランスのもと、一定の溶融幅、溶融深さでレーザ溶接が進んでいく。この場合、レーザ光１２の照射のエネルギーが効率良くリード１１から封口板１０へと進んでいくため、リード１１の端をレーザ照射した場合でもスパッタの発生が抑制される。
【００４７】
このように、リード１１と封口板１０との溶接部９は、深溶け込み型のキーホール溶接となっており、レーザ溶接に必要な溶融幅や体積も大幅に小さくなっている。さらに、キーホール溶接では、キーホール内でレーザ光１２が多重反射を繰り返していくため、レーザ投入エネルギーが効率よくリード１１と封口板１０に吸収される。
【００４８】
そのため、キーホール溶接では、パルス発振のＹＡＧレーザなどの熱伝導型の溶接（リード１１に投入されたレーザエネルギーが、リード１１を介して封口板１０まで熱伝導することにより、溶接される）に比べて、レーザ投入エネルギーを削減することができ、発生するスパッタの絶対量を削減することができる。
【００４９】
本発明においては、従来のように、リード１１の表面だけをレーザ溶接するのではなく、レーザ光１２の走査をリード１１の表面より長い位置、すなわちリード１１の表面と封口板１０の表面の両方に跨って存在するように溶接する。これにより、製造工程上の外部要因の変動（例えば、リード１１の位置のばらつきやレーザ光１２の照射位置のばらつきなど）が生じても、スパッタの発生に大きな要因となるリード１１の端部位置のレーザ溶接に作用されることなくレーザ溶接が可能となる。その結果、レーザ溶接に伴うスパッタの発生を抑え、電池ケース内へのスパッタの混入や封口板１０の周縁に具備したガスケット６へのスパッタの付着を極端に低減することができため、リード１１や封口板の穴開きを抑制しつつ、接合強度の低下を抑えた信頼性の高い密閉型電池を供給することが可能になる。さらに、コスト面でも安価な装置で製造することが可能となり、特に、密閉型電池の高容量化、小型化、薄型化が進み、幅の狭いリードにも対応が可能で、接合強度を維持しつつスパッタの発生を抑制した溶接による高品質な密閉型電池を安定して製造できる。
【００５０】
なお、このときのレーザ光１２のスポット径はリード１１の厚みよりも小さい値とするが、リード１１の厚みの１／２〜１／１０程度が好ましい。さらには安定したキーホール溶接をするにはレーザ光１２のスポット径をリード１１の厚みの１／５〜１／１０が好ましい。
【００５１】
レーザ光１２のスポット径がリード１１の厚みの１／２より大きくなると、溶融面積が大きくなり、加熱された部分の温度上昇が急激に進み、溶融金属が飛散してスパッタの発生の抑制が困難となる。また、レーザ光１２のスポット径をリード１１の厚みの１／１０未満にすると、封口板１０とリード１１との溶接強度が損なわれ、封口板１０を電池ケースの開口部に載置するためリード１１を折り曲げた際に外れる恐れがある。
【００５２】
例えば、スポット径をリード１１の厚みである０．２ｍｍよりも小さい値とすることにより、溶け込み深さが深くなるキーホール溶接を実現することができる。特に、スポット径を０．０４ｍｍより小さくしてパワー密度を向上すると、有効的にキーホールが形成され、溶融面積が狭く且つ深い溶込みの溶接が可能となる。このような小さなスポット径を実現するためには、例えば、光ファイバー自身がレーザ発振器となっているファイバーレーザを用いることができる。ファイバーレーザからの拡がり角等のビーム品質が非常に優れているため、スポット径を十分に小さくすることが可能となる。本発明者らの実験においては、スポット径を０．１ｍｍにすることができ、さらには集光光学系の改善により０．０１ｍｍ程度まで小さくすることができる。
【００５３】
従来のパルス発振のＹＡＧレーザでは、伝送用の光ファイバーを用いており集光性が低い。そのため、そのスポット径は通常で０．６〜０．８ｍｍであり、リード１１の厚みと同じか大きく、最小でも０．３ｍｍであるために、リード１１の端の広い範囲において溶融部１５が形成され、キーホールが形成されない熱伝導型の溶接となる。
【００５４】
一方、キーホール溶接では、溶融部１５の中心部は、周辺の熱を逃がし急激に温度の上昇がない。そのため、溶融金属の一部が飛散することがなく、スパッタの発生が抑制されるため、リード１１や封口板１０に穴開きが発生するのを抑制できる。従って、密閉型電池としての性能を確保するために、溶接長を長くでき、リード１１の端部から反対側の端部までレーザを照射することが可能となる。その結果、リード１１の広い範囲で安定的に溶接することができるため、接合強度を高めることができる。また、封口板１０を電池ケースの開口部に載置するためリード１１を折り曲げた際や、振動等によりリード１１が封口板１０から外れることはない。
【００５５】
ところで、本発明の一実施の形態におけるレーザ光１２のスポット径は、リード１１の厚みの１／２〜１／１０程度と小さいため、溶接面積の縮小に伴う接合強度の低下が懸念される。接合強度を確保するために、溶接箇所を増やす必要があるが、複数個所をレーザ溶接すると、加熱、溶融、凝固の状態変化を繰り返すことになるため、スパッタが発生しやすくなる。加えて、溶接状態も溶接箇所によって不均一になるため、安定した接合強度が得られない。
【００５６】
そこで、本発明においては、スパッタが発生しない安定した接合構造を得るために、連続発振のレーザ光１２を連続的に走査してリード１１および封口板１０の表面にライン状の溶接部１４を形成する。これにより、接合強度を確保しつつ、且つスパッタ１３の発生も大幅に削減することができる。
【００５７】
なお、溶接部１４の溶接幅に対して溶接部１４の溶接長は４以上にすることが望ましい。接合強度は、溶接部１４の長さと幅の積、つまり溶接面積と相関があり、溶接部１４の幅は基本的には小さい方が良い。従って、小さい幅でも接合強度を持たすためには、溶接部１４の溶接幅に対して溶接長は４倍以上の溶接部を成形することが好ましい、これにより、封口板１０とリード１１との溶接強度が損なわれることなく、封口板１０を電池ケースの開口部に載置するためリード１１を折り曲げる際や振動により、リード１１と封口板１０との溶接部１４が破損しない。
【００５８】
図４（ａ）〜（ｆ）は、本発明の他の実施の形態におけるリードと封口板との溶接部の構成を示した平面図である。
【００５９】
図４（ａ）では、溶接開始がリード１１の表面で、溶接終了は封口板１０の表面となっている。また、図４（ｂ）では、溶接開始時が封口板１０の表面で、リード１１の表面を照射した後、溶接終了時が溶接開始時と反対側の封口板１０の表面となっている。また、図４（ｃ）では、リード１１の長手方向に平行にレーザ照射し、リード１１の上側と封口板１０とに跨った箇所に溶接部１４が形成されている。また、図４（ｄ）では、リード１１の表面を斜めに溶接し、リード１１の上側と右側の端辺を通り封口板１０とに跨った箇所に溶接部１４が形成されている。さらには、溶接部１４は、図４（ｅ）に示すような円形状や、図４（ｆ）に示すような折れ曲がった形状でも構わない。また、溶接部１４が、長方形、楕円、あるいは任意の図形を描いても構わない。また、レーザ光１２の走査についても、封口板１０の表面からリード１１の表面へ向かう走査であっても、あるいは、リード１１の表面から封口板１０の表面へ向かう走査であっても、もしくはそれらの組合せであっても構わない。
【実施例】
【００６０】
以下、本発明の密閉型電池として、リチウムイオン二次電池に適用した実施例を説明する。
【００６１】
（実施例１）
正極板１は、次のようにして作製した。まず、活物質としてコバルト酸リチウムを１００重量部、導電材としてアセチレンブラックを２重量部、結着材としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を２重量部を、適量のＮ−メチル−２−ピロリドンと共に練合機にて攪拌して、正極合剤塗料を作製した。次いで、この正極合剤塗料を、厚み１５μｍのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布・乾燥し、総厚みが１６５μｍとなるようにプレスした後、スリット加工して正極板１を作製した。
【００６２】
また、負極板２は、次のように作製した。まず、活物質として人造黒鉛を１００重量部、結着材としてスチレン−ブタジエン共重合体ゴム粒子分散体（固形分４０重量％）を２．５重量部（結着材の固形分換算で１重量部）、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースを１重量部、および適量の水とともに練合機にて攪拌して、負極合剤塗料を作製した。次いで、この負極合剤塗料を、厚み１０μｍの銅箔からなる負極集電体の両面に塗布・乾燥後、総厚みが１８０μｍとなるようにプレスした後、スリット加工して負極板２を作製した。
【００６３】
このように作製した正極板１と負極板２とを、厚み２０μｍのポリエチレン微多孔フィルムのセパレータ３を介して捲回して電極群４を成形し、この電極群４を絶縁板５１、５２で挟み込まれた状態で電池ケース５内に収容した。次いで、電極群４の負極板２の端部から導出したリード１８の一端を電池ケース５内の底部に抵抗溶接を行った。さらに、電極群４の正極板１から導出されたアルミニウム箔からなるリード１１をアルミニウム板からなる封口板１０に当接させた状態で、レーザ光１２を連続照射して、リード１１を封口板１０に溶接した。ここで、リード１１の厚みは０．１５ｍｍ、幅は４ｍｍで、封口板１０の直径は１６．８ｍｍ、リード１１とを接合する部分の厚みは０．４ｍｍで、レーザ光のスポット径は０．０２ｍｍであった。レーザ光は、図３（ｂ）に示すように、封口板１０の表面から照射を開始し、図３（ｃ）に示すように、リード１１の右端より僅かに左側で照射を終了した。その結果、溶接部１４の溶融幅が０．２５ｍｍ、溶融長が２．２ｍｍ、封口板１０の表面の溶融長が０．２ｍｍの溶接部１４が形成された。
【００６４】
次に、電池ケース５内に非水電解液を注液した後、リード１１を折り曲げて、封口板１０を電池ケース５の開口部に配置し、電池ケース５の開口部を、ガスケット６を介して封口板１０でかしめ封口して、リチウムイオン二次電池を作製し、これを実施例１とした。
【００６５】
（比較例１）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、リード１１１と封口板１０１の溶接を、図５（ｂ）〜（ｃ）に示すように、スポット径が０．４ｍｍのパルスＹＡＧレーザを用いてリチウムイオン二次電池を作製し、これを比較例１とした。
【００６６】
リードと封口板の溶接部を観察すると、実施例１では、レーザ溶接時に発生するスパッタが目視において全く観察されなかった。また、封口板１０やリード１１の表面を詳しく観察した結果、スパッタの付着は全くなく、且つ溶接部１４に穴開きも無かった。このときのリード１１と封口板１０との接合強度は約２３Ｎであった。一方、比較例１では、レーザ溶接時にスパッタ１３１の発生が目視で多く観察され、リード１１１および封口板１０１にもスパッタ１３１の付着が多く見られ、且つ溶接部１４１に穴開き１６１が発生していた。このときのリード１１と封口板１０との接合強度は約１９Ｎであった。
【００６７】
実施例１と比較例１を比較すると、溶接自体はどちらもできており、電流の取出しは可能であるが、実施例１ではスパッタの発生がなく、信頼性の高い密閉型電池が得られた。
【００６８】
（実施例２）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、リード１１の幅が２ｍｍであり、溶接部１４が、図４（ｂ）に示したように、リード１１の表面および両端より外側の封口板１０の表面に位置していること以外は、実施例１と同様のレーザ溶接を行いリチウムイオン二次電池を作製し、これを実施例２とした。
【００６９】
（比較例２）
スポット径が０．４ｍｍのパルスＹＡＧレーザを用いること以外は、実施例２と同様にレーザ溶接を行いリチウムイオン二次電池を作製し、これを比較例２とした。
【００７０】
リードと封口板の溶接部を観察すると、実施例２では、レーザ溶接時に発生するスパッタを観察したところ、目視においてスパッタは全く観察されなかった。また、封口板１０やリード１１の表面を詳しく観察した結果、スパッタの付着は全く無く、且つ溶接部１４に穴開きも無かった。このときのリード１１と封口板１０との接合強度は約２２Ｎであった。一方、比較例２では、レーザ溶接時にはスパッタ１３１の発生が目視で多く観察され、リード１１１および封口板１０１にもスパッタ１３１の付着が多く見られ、且つ溶接部１４１に穴開き１６１が発生していた。このときのリード１１と封口板１０との接合強度は約１３Ｎであった。
【００７１】
実施例２と比較例２を比較すると、実施例２では、スパッタの発生が無く、密閉型電池の製造過程でスパッタがガスケットに付着したり、あるいは電池ケース内に混入することを抑制が可能であった。さらに、実施例２では、実施例１と同様の２ｍｍの溶接長さのため、接合強度においても同じ強度が得られている。比較例２では、穴開きのため、比較例１よりも接合強度が低下している。リード１１の幅が小さくても、実施例２によれば接合強度を維持しつつスパッタの発生を抑制することができた。
【００７２】
（実施例３）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、溶接部１４の溶融幅を０．４ｍｍ、溶融長さを１．６ｍｍとした以外は、実施例１と同様のレーザ溶接を行いリチウムイオン二次電池を作製した。
【００７３】
その結果、接合強度が約１５Ｎと安定した溶接強度が得られた。このことから、ライン状の溶接部１４の溶接幅に対する溶接長の比を４以上にすることが望ましい。
【００７４】
接合強度は溶接部１４の長さと溶接幅の積、つまり溶接面積と相関がある。溶接幅を一定とすると、溶接長さと相関がある。溶接幅はレーザ光１２の照射時の溶融面積に依存するが、この溶融面積が小さい方がスパッタの発生が抑えられるため、溶接幅は基本的には小さい方が良い。しかし、溶接幅が小さすぎると接合強度の確保が難しくなるため、溶接幅と溶接長さの比が最適な領域が存在し、４以上が望ましい。
【００７５】
（実施例４）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、スポット径が０．０２ｍｍのレーザ光１２の１秒間に走査する距離を１０〜５００ｍｍに変えて、実施例１と同様のレ−ザ溶接を行い、リチウムイオン二次電池を作製した。
【００７６】
その結果、１秒間に走査する距離が５０ｍｍ以上になると、すなわち、レーザ光１２のスポット径に対して１秒間に走査する距離を２５００倍以上にするとスパッタの発生が見られなかった。一方、２５００倍未満の走査する距離でレーザ溶接するとスパッタの発生が見られ且つ溶接幅が大きくなった。
【００７７】
レーザ光１２のスポット径に対して１秒間に走査する距離を２５００倍より小さいと、単位時間当たりの入熱量が多くなるため溶融面積が広くなり、その表面からスパッタが発生し易くなるためだと考えられる。レーザ溶接を行う際にスパッタの発生はレーザ光のスポット径と進む距離に大きな関係があり、レーザ光のスポット径に対して１秒間に走査する距離が２５００倍以上であることが好ましい。
【００７８】
（実施例５）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、封口板１０の表面を走査するときのレーザ光１２の走査速度ｖ１と、リード１１の表面を走査するときのレーザ光１２の走査速度ｖ２とを変えて、実施例１と同様のレーザ溶接を行い、リチウムイオン二次電池を作製した。
【００７９】
その結果、封口板１０の表面を走査するときのレーザ光１２の走査速度ｖ１を１００ｍｍ／秒、リード１１の表面を走査するときのレーザ光１２の走査速度ｖ２を５０ｍｍ／秒としたときのスパッタを観察したところ、何れの組合せにおいてもスパッタの発生は見られなかった。このことから、リード１１の表面を走査するときと比較して封口板１０の表面を走査するときにレーザ光の走査速度を速くすることが好ましい。
【００８０】
（実施例６）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、封口板１０の表面を走査するときのレーザ光１２の出力ｐ１と、リード１１の表面を走査するときのレーザ光１２の出力ｐ２と変えて、実施例１と同様のレーザ溶接を行い、リチウムイオン二次電池を作製した。
【００８１】
その結果、封口板１０の表面を走査するときのレーザ光１２の出力ｐ１を１５０〜５００Ｗ、リード１１の表面を走査するときのレーザ光１２の出力ｐ２を５００Ｗとしたときのスパッタを観察したところ、ｐ１、ｐ２共に５００Ｗの組合せのときのみスパッタの僅かな発生が見られた。このことから、リード１１の表面を走査するときと比較して封口板１０の表面を走査するときにレーザ光の出力を小さくすることが好ましい。
【００８２】
（実施例７）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、レーザ光１２を照射している封口板１０の表面近傍に窒素ガスを直径が２ｍｍのノズル先端から１０Ｌ／分の流量で吹き付け、且つレーザ光１２の走査速度を５０ｍｍ／秒として、実施例１と同様にレーザ溶接を行い、リチウムイオン二次電池を作製した。
【００８３】
その結果、リードと封口板の溶接部を観察すると、スパッタの発生は見られなかった。また、雰囲気ガスをヘリウムとアルゴンガスに変更して同様の溶接を行った結果、スパッタの発生は同様に見られなかった。レーザ光が走査する近傍のリード表面に雰囲気ガスの気流を吹付け、気流による冷却によって封口板１０およびリード１１の部分の過度な温度上昇を抑えてスパッタの発生を抑制できる。
【００８４】
（実施例８）
実施例１と同様に作製した電極群４を用い、図３（ｅ）に示した溶融部１５の周辺の封口板１０にアルミニウム製の板からなる治具を面接触させて、且つレーザ光の走査速度を５０ｍｍ／秒として、実施例１と同様にレーザ溶接を行いリチウムイオン二次電池を作製した。
【００８５】
その結果、リードと封口板の溶接部を観察すると、スパッタの発生は見られなかった。また、封口板１０に接触させる治具の金属を銅およびタングステンに変更して同様のレーザ溶接を行った結果、スパッタの発生は同様に見られなかった。レーザ光１２が走査する近傍の封口板１０の表面に熱伝導率の高い金属製の治具を面接触させることで封口板１０の部分の過度な温度上昇を抑えてスパッタの発生を抑制できる。
【００８６】
以上、本発明を好適な実施の形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、上記実施の形態において、リード１１と封口板１０とは同じアルミニウム材を例に説明したが、異種金属からなるリード１１及び封口板１０であっても勿論構わない。また、リード１１が溶接された封口板１０は、電池ケース５にかしめ封口される以外に、電池ケース５の開口部に溶接により封口されたものであってもよい。
【００８７】
なお、本発明が適用される密閉型電池は、その種類に特に制限はなく、リチウムイオン二次電池の他、ニッケル水素蓄電池等にも適用することができる。また、円筒形二次電池に限らず、角形二次電池にも適応し得る。さらには、一次電池にも適用し得る。さらに、電極群は、正極板及び負極板をセパレータを介して捲回されたものに限らず、積層されたものでもよい。また、一次・二次電池に限らず、その他のデバイスにおける薄板の重ね合わせ溶接への適用も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明によれば、安定した高い信頼性を有する密閉型電池を実現でき、携帯機器等の駆動用電源として有用である。
【符号の説明】
【００８９】
１    正極板
２    負極板
３    セパレータ
４    電極群
５    電池ケース
６    ガスケット
１０  封口板
１１  リード
１２  レーザ光
１４  溶接部
１５  溶融部
１８  リード
５１、５２  絶縁板
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板および負極板をセパレータを介して捲回または積層してなる電極群を電池ケース内に収容し、この電池ケースの開口部を封口板で封口した密閉型電池であって、
前記電極群のいずれか一方の極板から導出されたリードが前記封口板にレーザ溶接されており、
前記リードと前記封口板との溶接部は、少なくとも前記リードの端部を跨ってライン状に形成されている、密閉型電池。
【請求項２】
前記リードは、該リードの厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光を連続的に走査することによって、前記封口板にレーザ溶接されている、請求項１に記載の密閉型電池。
【請求項３】
前記溶接部の溶接幅に対する溶接長さの比が４以上である、請求項１に記載の密閉型電池。
【請求項４】
前記リードおよび封口板をは、アルミニウムを主成分とする材料で構成されている、請求項１に記載の密閉型電池。
【請求項５】
正極板および負極板をセパレータを介して捲回または積層して電極群を形成する工程と、
前記電極群のいずれか一方の極板に、リードの一端を接続する工程と、
前記電極群を電池ケース内に収容する工程と、
前記リードの他端を封口板に当接させて、前記リードの厚みよりも小さいスポット径を有するレーザ光を連続的に走査しながら前記リード側から照射することによって、前記リードの他端を前記封口板にレーザ溶接する工程と、
電池ケースの開口部を前記封口板で封口する工程と
を含み、
前記レーザ光は、少なくとも前記封口板の表面から、前記リードの端部を跨って該リードの表面に走査される、密閉型電池の製造方法。
【請求項６】
前記レーザ光の光源は、ファイバーレーザである、請求項５に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項７】
前記レーザ光の１秒間に走査する距離は、前記レーザ光のスポット径に対して２５００倍以上である、請求項６に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項８】
前記レーザ光の走査速度は、前記リードの表面を走査するときより、前記封口板の表面を走査するときの方が速い、請求項５に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項９】
前記レーザ光の出力は、前記リードの表面を走査するときより、前記封口板の表面を走査するときの方が低い、請求項５に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項１０】
前記レーザ光が前記封口板の表面を走査する際に、前記封口板の表面の前記レーザ光が照射されている近傍に気流を吹きつける、請求項５に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項１１】
前記レーザ光が照射される前記封口板の表面近傍に、前記封口板に対して熱伝導率の高い治具を接触させる、請求項５に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項１２】
前記レーザ光のスポット径は、前記リードの厚みの１／２〜１／１０である、請求項５に記載の密閉型電池の製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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